王嶠 臧鑫宇 曾堅
21世紀以來,城市災害呈現(xiàn)出高頻率和高影響的趨勢,城市防災的深入研究和實踐工作已經(jīng)刻不容緩。隨著中國城市化的加速,城市人口密度逐年增加,資源枯竭、環(huán)境污染等問題層出不窮,災害在內涵與外延兩方面均不斷擴展。為此,綜合防災已成為應對新形勢下災害問題的重要指導思想,其力圖在城市建設的全過程,降低人為因素對生態(tài)環(huán)境的影響,提升城市抵御災害的自主能力。近年來,世界范圍內諸多城市暴雨災害頻發(fā),造成城市大部分區(qū)域受災損失嚴重,城市暴雨災害表現(xiàn)出明顯的周期性、反復性、可預測性差等特點,大部分城市表現(xiàn)出積水內澇、城市交通癱瘓、水利設施嚴重損壞等外顯特征,直接造成了巨大的生命和經(jīng)濟損失。
高密度中心城區(qū)是城市中心城區(qū)范圍內單位土地面積上的人口密度、建筑密度和開發(fā)強度均相對較高的地區(qū),是城市中各種空間環(huán)境要素最復雜、最密集的區(qū)域[1]①,在面臨暴雨災害的時候往往呈現(xiàn)出極端的敏感性和脆弱性,在城市土地、交通、綠地景觀等方面表現(xiàn)出較為脆弱的應災性[2]。同時,暴雨徑流使大量的工業(yè)生產(chǎn)污染物、生活廢棄物等進入河流和地下,其可能包含的各種化學、生物有害物質不僅會污染水源,而且會改變土壤的成分,從而影響人們的生存環(huán)境,造成更大的危害[3]。
針對城市暴雨和內澇問題,1969年,英國學者麥克哈格詳細研究了城市土地利用和自然條件的有機結合,以減少城市建設中人為因素對自然水文地質的破壞[4];美國學者威廉·M·馬什系統(tǒng)闡述了景觀規(guī)劃與水質、土地利用、河流、暴雨水排放和管理的關系,有效地實現(xiàn)了設計結合自然[5];英國學者喬納森·帕金森和丹麥學者奧爾·馬克提出了發(fā)展中國家城市雨洪管理的綜合框架和城市暴雨排水與管理所涉及的技術、管理問題[6]。美國紐約、芝加哥等城市系統(tǒng)研究了暴雨防災的成因和對策,并應用于城市建設的實踐,通過對實施效果的監(jiān)測和反饋,取得了一定的成效。中國學者在暴雨災害、城市內澇問題方面也取得了一定的研究成果。郭雪梅等分析了中國城市內澇災害的影響因子,提出建立健全加密的城市氣象監(jiān)測網(wǎng)和聯(lián)動的防災減災機制[7];葉斌等從城市蓄水排水能力、市政排水管網(wǎng)等方面提出建立城市排水系統(tǒng)GIS數(shù)據(jù)庫,并提出保護城市天然水體,建立建筑蓄水系統(tǒng)等措施[8];張維以廣州內澇為例,提出科學制定城市排水標準和法律法規(guī),加強城市暴雨預警應急體系的建設[9]。楊文哲等從雨水資源化角度提出抑制城市內澇的有效措施[10];任希巖等立足城市發(fā)展轉型期,從氣候變化和城市化的角度,分析了城市內澇的主要成因,探討了防治城市內澇問題的對策和技術方法[11];朱鋼等從暴雨徑流、情景模擬等技術模型層面進行了研究,從城市海綿空間格局、低影響開發(fā)等方面提出了有益的應對策略[12];袁媛和王沛永總結了城市內澇發(fā)生地區(qū)特點,闡述了合理規(guī)劃城市排水管網(wǎng)、城市河湖水系、城市綠地3部分進行組合防澇的思路[13]。
城市暴雨災害的成因可以概括為自然因素和人為因素兩方面,表現(xiàn)為暴雨多發(fā)和雨水調節(jié)系統(tǒng)處理能力不足。聯(lián)合國相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)指出,世界范圍內地震等災害發(fā)生次數(shù)相對穩(wěn)定,而風暴和洪水的發(fā)生次數(shù)卻不斷增加,這顯示出出人類活動所引發(fā)的氣象災害正在日趨嚴重[14](圖1)。中心城區(qū)作為城市中各類要素最為集中的區(qū)域,自然生態(tài)環(huán)境受到人工改造影響巨大,城市人口、建筑以及各類活動等高度集中,熱島效應和雨島效應日趨嚴重,致使其發(fā)生暴雨災害的可能性也較大。同時,快速城市化建設進程中,高密度的發(fā)展模式使城市應對暴雨的調節(jié)系統(tǒng)不完善,進一步加劇了暴雨成為城市災害的可能性。具體表現(xiàn)為:
1)城市下墊面的變化使原本可作為調蓄雨水的自然系統(tǒng)失去作用。城市建設對原有地形地貌進行較大改變,高強度開發(fā)容易造成地面沉降,一些原本具有雨水調蓄功能的洼地、山塘、湖泊、水庫等被侵占、縮減甚至填埋,降低了城市應對暴雨的能力。
2)大量自然生態(tài)地表被人工硬質地面覆蓋,導致城市下墊面不透水的人工覆蓋面增多,雨水難以下滲,從而增加了地表徑流,加劇了暴雨影響。
3)中國大部分城市在排水系統(tǒng)方面的缺陷也是造成暴雨災害的重要原因。如暴雨強度公式仍然沿用20世紀標準,雨水重現(xiàn)期設定較低,而世界氣候的變化、中國城市的快速發(fā)展導致目前使用的標準和設施難以滿足實際需求。
4)高密度中心城區(qū)在建設中由于用地限制而積極發(fā)展立體空間,大量下穿式立交和地下空間的出現(xiàn)對城市排水系統(tǒng)提出了更高的要求,而在這類空間中暴雨洪災發(fā)生的危險性比地上空間更大。
5)城市暴雨災害涉及多個部門和專業(yè),而目前各單位并未形成有效的共享與合作機制[15]。
高密度中心城區(qū)暴雨災害的防治是一個復雜的、長期的、系統(tǒng)的工作,未來的暴雨防災研究不僅需要結合暴雨專項防治策略和具體措施,還需要拓展研究的深度和廣度,由專項防災向綜合防災轉變,建立中心城區(qū)暴雨綜合防災規(guī)劃體系。通過系統(tǒng)研究中心城區(qū)暴雨防災與土地利用效能優(yōu)化、綠地空間規(guī)劃、雨水調節(jié)等系統(tǒng)的關聯(lián),建立常態(tài)與應急相結合的綜合防災體系;深入剖析與防災規(guī)劃相關的政策支持、法律規(guī)范、道德意識、技術支持等多要素,建立完善的暴雨防災支撐體系,為城市良性發(fā)展提供有效保障(圖2)。
快速城市化引發(fā)的一系列資源、環(huán)境問題已經(jīng)嚴重威脅到人類的生存安全,生態(tài)安全理念與城市規(guī)劃系統(tǒng)的結合有利于在規(guī)劃全過程中實現(xiàn)城市建設的核心目標,通過調節(jié)氣候、保持水土、改善環(huán)境建立完善的城市生態(tài)安全格局,以達到從源頭治理暴雨、熱浪等自然災害的目的。土地作為人類一切活動的直接載體,是維護人類生存安全的基本要素。在高密度中心城區(qū)規(guī)劃建設中,土地利用方式對整個城市的生態(tài)系統(tǒng)效能和自然災害防治具有深刻影響。城市暴雨災害的綜合治理也應該以土地優(yōu)化利用作為切入點,在滿足城市發(fā)展需求的基礎上為其提供充足的綠地和水體等“間隙”空間,可以有效地滿足城市生活、防災安全需要,為城市的可持續(xù)發(fā)展提供生態(tài)基礎?;谶@一目標,應以人地協(xié)調為原則,科學合理地提出城市發(fā)展方向與用地功能劃分。轉變經(jīng)濟作為唯一或主導因素的決策依據(jù),加入環(huán)境、社會等要素進行綜合評估,優(yōu)化城市用地布局[16]。
根據(jù)中心城區(qū)的現(xiàn)狀用地情況,進行用地適宜性評價,劃分建設用地和非建設用地,尤其注重非建設用地的規(guī)劃和研究。通過對城市生態(tài)安全影響因子的選擇、優(yōu)化、完善,形成適合不同用地實際情況的生態(tài)規(guī)劃體系。結合土地區(qū)位和地租理論,在中心城區(qū)條件較好的核心用地內,采取相對緊湊集中的布局原則,為城市人口提供足夠的居住和生活用地,對內部的林木、河塘、草甸等自然植被、水體采取保護和開發(fā)有機結合的策略,盡可能預留和規(guī)劃充足的綠色開放空間,還可以作為雨水收集利用的空間載體[17]。在各個核心用地外圍逐步降低建筑密度和高度,確定適宜的開發(fā)容量,同時增加綠地率,減少硬質鋪裝比例,從而提升應對暴雨災害的城市韌性空間。例如,新加坡和香港等地的中心城區(qū),往往會在其高密度地區(qū)臨近地帶預留大面積的城市公園和生態(tài)綠地作為城市的綠肺,承擔調節(jié)氣候、保持水土、改善環(huán)境的重要作用,在暴雨來臨之際能夠形成一定的韌性系統(tǒng),保持較強的完整性,使一定范圍內的城區(qū)不因受暴雨擾動影響而遭到破壞。
1 世界范圍內的重大自然災害發(fā)展趨勢The development trend of major natural disaster worldwide
2 高密度中心城區(qū)暴雨防災規(guī)劃體系Rainstorm disaster-prevention planning system of high-density area in city center
隨著景觀生態(tài)學原理與城市規(guī)劃的結合,綠道理論在城市生態(tài)網(wǎng)絡規(guī)劃中的應用日益廣泛。綠道是結合城市現(xiàn)狀自然資源條件,經(jīng)過規(guī)劃和設計而建立起來的土地網(wǎng)絡,具有生態(tài)、娛樂、文化、美學和其他與可持續(xù)土地利用相適應的多重目標[18]。對于高密度中心城區(qū)而言,城市綠道網(wǎng)絡的構建尤為重要,是促使城市生態(tài)系統(tǒng)由隔離向連接轉變、提升城市生態(tài)韌性的重要基礎。中心城區(qū)綠道系統(tǒng)將為市民提供認識和體驗自然的獨特場所,為動植物提供彌足珍貴的棲息地。同時,城市綠道系統(tǒng)具有多重暴雨防災功能(表1),能夠有效增強高密度地區(qū)遭受暴雨災害時的抵抗力和恢復力,是高密度中心城區(qū)暴雨防災系統(tǒng)的重要組成部分。
當前,中國很多大中城市都缺乏完善的城市綠道系統(tǒng),難以形成抵御暴雨災害的韌性空間。因此,中心城區(qū)的綠道系統(tǒng)規(guī)劃應首先處理好規(guī)劃與現(xiàn)狀的結合問題,以景觀生態(tài)學原理為指導,注重保留、復育高密度中心城區(qū)內部的原生態(tài)因子,有效利用城區(qū)內的空地或廢棄的“灰色”空間進行生態(tài)修復,對老舊建筑和工業(yè)遺留設施進行生態(tài)化改造;在新開發(fā)用地中貫徹綠道系統(tǒng)規(guī)劃導則,使之有效地銜接現(xiàn)有的綠地公園,增加塊狀綠地、水系的連接度,最終形成可持續(xù)的綠道生成路徑,建立中心城區(qū)與城市外圍生態(tài)環(huán)境之間的系統(tǒng)銜接。以天津中心城區(qū)為例,其現(xiàn)狀綠地面積嚴重不足。為此,2005—2020版天津市總體規(guī)劃梳理了現(xiàn)狀綠地水系,增加多處城市綠地,使綠道系統(tǒng)成為網(wǎng)絡,有利于修復城市自然本底,提升應對暴雨災害的韌性(圖3)。
低影響開發(fā)(Low Impact Development,簡稱LID)是基于自然生態(tài)理念,采用分散的、小規(guī)模的源頭控制機制和設計技術實現(xiàn)雨洪控制與利用的一種雨水管理方法,其目的是使開發(fā)建設區(qū)域盡量接近于開發(fā)前的自然水文循環(huán)狀態(tài),實現(xiàn)開發(fā)建設區(qū)域與自然環(huán)境的共生[19]。其雨水控制內容包括延遲、滯留、生物過濾等類型,具體控制方法包括藍色屋頂、綠色屋頂、雨水收集、植被控制、透水路面等[20]。其以減少暴雨徑流、延遲徑流峰值為目標,對輔助新建或改造地塊的排水系統(tǒng)均具有重要意義。首先,合理控制中心城區(qū)用地,減少城市開發(fā)與基礎設施建設造成過度的地表擾動,可以有效地留存和保護沼澤、河網(wǎng)、池塘等自然水系。根據(jù)可滲透水源區(qū)的位置,結合土地利用規(guī)劃確定自然緩沖帶和非工程性排水設施的布局,尤其應該避免在非產(chǎn)流區(qū)設置排水設施,從而有效減少雨水徑流,增加土壤需水量,減輕排水設施的壓力[21]。
其次,科學研究確定地塊雨水徑流量,合理劃分雨水控制單元。結合層次分明的匯水區(qū)和蓄水單元建立科學的雨洪管理系統(tǒng),劃分排水防洪分區(qū)。以高密度城區(qū)的居住社區(qū)為例,以社區(qū)綠地作為收集開發(fā)單元雨水的載體,以社區(qū)公園作為基本的蓄水單元,在社區(qū)綠地和社區(qū)公園之間設置徑流通道。除滿足社區(qū)景觀用水之外的雨水可以就近排放到臨近的匯水區(qū)(圖4-1)。同時,在社區(qū)綠地和建筑本體設置雨水、中水儲存和處理系統(tǒng),融合自然和人工凈化措施,改善社區(qū)水文環(huán)境,進而維護高密度中心城區(qū)的生態(tài)涵養(yǎng)能力[22](圖4-2)。
最后,對于每一個開發(fā)單元,充分運用低影響措施,結合社區(qū)綠地設置雨水花園、下沉式綠地、生物滯留池、植草溝等設施,提升社區(qū)可浸區(qū)面積,增強雨水滯留能力,有效補充地下水,提升社區(qū)承洪韌性。當暴雨量超出蓄水區(qū)常態(tài)容納能力時,為確保地表徑流進入河道網(wǎng)絡,應盡量使用高效不透水鋪裝連接河道,同時結合市政排水溝、排水管網(wǎng)建立高效的雨水排放系統(tǒng)。如2008年芝加哥市開展的城市“綠色街巷項目”(Green Alley Program)在30多個街巷鋪設了滲水路面,在200多個街巷安裝了開敞式集雨洼地,增加雨水徑流的路徑,提高場地的滲透率。該計劃同時鼓勵居民對私人住宅采取相應措施減少雨洪威脅,如安裝集雨桶或者為污水泵安裝后備電源,有助于更加有效的抵御洪災[23]。
目前,中國大部分城市的排水管網(wǎng)均存在設計標準較低、設施老化、新舊城不能有效銜接等問題。另外,基礎設施管網(wǎng)以常態(tài)建設指標為主,在今后的暴雨防災規(guī)劃和實際工作中應提高基礎設施災時使用狀況、冗余度以及災后修復的重視度。在城市新建地區(qū)的排水管網(wǎng)建設中,應科學調查城市區(qū)域的水文數(shù)據(jù),以減少雨水徑流為目標,建立科學的雨洪控制指標體系;在已建成的地區(qū)內,將基礎設施工程專項方法與生態(tài)環(huán)境方法相結合,注重各類自然排水調蓄系統(tǒng)與人工管網(wǎng)系統(tǒng)的結合,建立高效、可持續(xù)的雨水排放系統(tǒng)。
高密度中心城區(qū)由于用地限制,出現(xiàn)大量的地下空間,日益增多的地下空間為城市暴雨防災工作提出了更高要求。結合地下空間的暴雨防災策略一般可采取兩種方式,一方面是減小暴雨災害影響,如可以考慮提高地下空間入口處的標高和防護等級。另一方面則是考慮利用這類空間進行暴雨管理,如設置地下儲水設施對暴雨進行貯存,從而緩解暴雨對城市產(chǎn)生的不利影響。如馬來西亞吉隆坡針對雨季洪水泛濫的不利情況,在城市中心地區(qū)建設了暴雨管理和道路隧道。隧道長達9.7km,共有3層,最下層是排水通道,上面兩層為行車通道。下層水道可將大量洪水從市中心轉移到水庫、水池和旁通排水渠中。2007年該隧道使用后共排水114次,預防了7次突然暴發(fā)的洪災,避免了幾億馬幣的潛在損失[24];紐約防災規(guī)劃針對城市暴雨災害制定了一系列措施,如在國家廣場的雨洪管理系統(tǒng)建設中,通過在廣場底部設置大型儲水池對初期暴雨量進行調節(jié),收集雨水并通過泵站用于廣場自然植被的灌溉,或排放到蓄潮池及就近的河流(圖5)[25]。
當前的城市災時應急系統(tǒng)主要包括防災避難場所和避難通道,由于城市災害種類較多,且容易發(fā)生聯(lián)動的次生災害,現(xiàn)有的應急避難場所和避難通道往往不能很好地解決多災種并發(fā)的情況。此外,從國內諸多城市的暴雨災害來看,事前并沒有得到準確的災害預警,致使災害加重,因此,城市暴雨災害預警系統(tǒng)的建設還有待加強。
表1 綠道系統(tǒng)的暴雨防災職能Tab. 1 Rainstorm disaster-prevention function of the greenway system
3 天津中心城區(qū)綠地水系格局Green space and water system pattern of area in city center of Tianjin
城市暴雨防災應急系統(tǒng)的構建應主要從以下3個方面綜合考慮:首先,建立安全可靠的災時預警應急系統(tǒng),應結合城市規(guī)劃學、氣象學、災害學等學科和數(shù)字技術建立科學、及時、有效的暴雨預警系統(tǒng),用于監(jiān)測氣象變化并及時發(fā)布暴雨預警信息,并利用各級媒體及時發(fā)布暴雨的預警等級,正確引導市民采取防災措施。各級政府應選擇指定的廣播、電視、報刊等媒體作為信息發(fā)布的唯一官方渠道,并以報道災害預報、疏散逃生等指導性內容為主,而非以災害損失為主。隨著數(shù)字技術的普及,城市預警信息還可充分利用已有科技產(chǎn)品,作為指導人員安全疏散的輔助信息系統(tǒng),確保人員及時準確地獲得相關應急信息。其次,針對頻發(fā)的暴雨災害,設置切實可行的災時應急預案極為重要。應根據(jù)不同地區(qū)的實際情況提出有針對性的方案,并根據(jù)區(qū)域劃分設置城市級、片區(qū)級、居住區(qū)級、小區(qū)級等多層次的應急預案,在方案實施中統(tǒng)籌各級管理部門的力量并注意各部門之間的分工與銜接,建立橫向協(xié)調和統(tǒng)一指揮的工作機制,集中應急救援力量,將災害損失降到最低。另外,應基于綜合防災理念,規(guī)劃設置科學、便捷的應急避難場所和避難通道,綜合考慮各種災害的混合使用,針對暴雨防災應注重避難場所在中心城區(qū)的位置、規(guī)模和可達性,設置與高密度中心城區(qū)人口和建筑密集度相適應的應急避難場所布局。
4-1 排水防洪分區(qū)Drainage & flood control zone
4-2 開發(fā)單元水循環(huán)模式Water circulation model in development units
5-1 華盛頓國家廣場下方存儲池的剖面圖The section of storage beneath the Washington National Mall
5-2 華盛頓國家廣場泵站的剖面圖The section of pumping station of the Washington National Mall
面對日益嚴峻的城市暴雨災害問題,在城市發(fā)展建設中更應該注重暴雨防災規(guī)劃的可實施性和可操作性。因此,制定暴雨防災的支撐策略尤為重要。首先,統(tǒng)籌安排各政府機構與部門,成立以政府為主導的綜合防災機構,并根據(jù)各地區(qū)的現(xiàn)狀條件出臺具有較強實效性的法律規(guī)范,明確暴雨防災的獎懲措施,制定各地方城市暴雨防災技術規(guī)范,其次,建立科學完善的技術支撐體系,由水利部門主導,綜合協(xié)調環(huán)保、氣象、規(guī)劃、市政、交通等部門,對城市現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行詳細統(tǒng)計,按照行政區(qū)劃制定詳細的城市暴雨災害分區(qū)圖,可以有效地表達出河流流量、暴雨雨量超過堤壩、排水管網(wǎng)等設施的能力所造成的暴雨災害等級,按照各分區(qū)特點應用3S技術建立動態(tài)數(shù)據(jù)庫,對城市氣象、暴雨重現(xiàn)期、徑流變化等重點監(jiān)測,以指導建立科學完善的暴雨監(jiān)測預警系統(tǒng)和災時應急系統(tǒng)。整合各類設施情況與災害信息,隨時共享和發(fā)布暴雨綜合防災動態(tài)。
最后,應加大對城市各類災害的財政投入,一方面由中央和各級地方政府提供政策、財力和人力支持,另一方面積極拓展資金保障的渠道,通過社會團體、慈善機構及個人廣泛開展社會慈善福利事業(yè),對城市災害進行救助和募捐,建立災害保障基金。資金可用于建立和維護防災數(shù)據(jù)庫、預警系統(tǒng)和指示系統(tǒng),以及成立救援組織和購買救援設備等用途。例如,可以按照城市行政等級成立市、區(qū)、街道、社區(qū)四級救援組織,并撥款購買救援設備、藥品等物資,包括水陸兩棲的交通救援設備、絕緣的救生衣、鉤索等。此外,還應加大宣傳教育力度,提高市民防御災害的風險意識。
中心城區(qū)是一座城市的代表區(qū)域,隨著城市化進程的持續(xù)加速,中心城區(qū)表現(xiàn)出明顯的高密度、高強度等典型特征。在其發(fā)展建設過程中,易于出現(xiàn)過分關注物質空間建設而忽視城市生態(tài)建設的情況,致使城市在面臨災害時表現(xiàn)出極端的脆弱性和敏感性。近年來中國諸多城市的暴雨災害為人們敲響了警鐘,也引發(fā)了學術界對暴雨防災的關注和研究?;诒┯隇暮Φ耐话l(fā)性特征,應建立常態(tài)防災與災時應急相結合的綜合防災系統(tǒng),并從法律規(guī)范、技術支持、財政投入、思想意識等方面提供安全保障,規(guī)劃安全穩(wěn)定的城市生態(tài)安全格局,實現(xiàn)城市發(fā)展與生態(tài)環(huán)境的動態(tài)平衡。
注釋:
① 高密度中心城區(qū),主要從人口密度和建筑密度兩方面進行界定。綜合國內外典型城市高密度城區(qū)的人口密度可以發(fā)現(xiàn),較大城市高密度城區(qū)人口密度峰值分布在1萬人/km2至5萬人/km2的范圍內,中國五大中心城市人口密度峰值為2萬人/km2至4萬人/km2,區(qū)域中心城市人口密度峰值為1萬人/km2至3萬人/km2。全國范圍內人口高密度區(qū)域的具體數(shù)值差異主要與城市級別相關,而同一級別內城市人口高密度區(qū)域的具體數(shù)值主要受到城市在世界和全國的地位、經(jīng)濟水平、整體人口以及其他因素影響。建筑密度指標中以建筑容積率、建筑覆蓋率、開放空間率為主要指標。由于居住區(qū)具有較強的獨立性,并且其與城市其他區(qū)域在使用功能、建筑形式上的差異性,將住宅發(fā)展密度與非住宅發(fā)展密度環(huán)境分開進行定義。對于中國內地城市,住宅區(qū)高密度環(huán)境容積率一般在2.0~4.0范圍內,建筑密度為30%~40%左右。非住宅建筑的高密度環(huán)境中,多層高密度環(huán)境一般容積率大于4.0并且建筑密度在70%以上;高層高密度環(huán)境一般容積率大于8.0且建筑密度在60%~70%以上。
② 圖 1根據(jù)參考文獻[13]改繪;圖2、4由作者繪制;圖3根據(jù)天津市總體規(guī)劃(2005—2020)整理;圖5根據(jù)參考文獻[23]改繪;表1作者根據(jù)相關資料歸納整理。